CN103198719A - 基于pidvca原理的两船协调避让的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于PIDVCA原理的两船协调避让的优化方法，对局部态势的PIDVCA算法进行优化处理，能进一步提升现有的PIDVCA算法,以最大限度的提醒或督促让路目标船履行《规则》确保或提升“让路目标船”主动采取有效的协调避让行动的几率，最终达到确保直航船获得既安全又经济的避让效果的目的；同时在未能取得让路目标船协调避让行动的情况下，也能保持原有PIDVCA算法的次优避让效果，即确保两船的安全避让。

Description

基于PIDVCA原理的两船协调避让的优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于PIDVCA原理的两船协调避让的优化方法。

背景技术

解决人为因素导致的船舶碰撞事故的重要途径之一是实现船舶智能避碰决策的自动化。众多碰撞事故表明,发生船舶碰撞事故的直接原因是会遇两船或其中一船的不协调行动造成。保证两船避碰行动协调的最根本的方法就是确保会遇双方共同严格遵守《国际海上避碰规则》（以下简称《规则》）。当前处于国际先进国内领先技术水平的船舶拟人智能避碰决策（简称“PIDVCA”）方法，其决策形成的依据是基于《规则》及海员的通常做法，同时充分考虑本船处于避让态势最不利情况下也能确保两船在其安全会遇距离以外安全通过的前提下进行。大量的仿真实验结果显示，针对两船避让问题，如两船严格遵循《规则》，两船均可获得预期最好（安全经济）的避碰效果。但是在实际的避碰行动中，往往存在一方或者双方由于疏忽未能按照《规则》采取行动从而造成碰撞事故的发生。换言之，即便单方严格按照《规则》行动，但却难以确保获得最好的避让效果，甚至仍旧可能导致碰撞事故的发生，因此引入船舶避碰主动协调避让机制是客观需要的。通过引入请求对方船舶协调避碰行动的方案通报机制，可实现两船避碰协调优化。

一种典型的情况为仅靠直航船单方的行动，将造成避让后的复航时机较长，存在潜在碰撞危险的时间便越长。因此，在这种情形下，对于采取避让行动的直航船并未能取得预期的最好避让效果。如果目标船按照《规则》主动采取协调避碰行动，如图1所示，目标船将以较大的相对运动速度Vr^/从本船艉通过，这是一种合理有效的避让方式，采用这种避让方式的效果明显优于仅靠直航船采取行动使目标船以较小的相对运动速度Vrn过本船船艏的避让方案。

对于能见度不良中的两船，按照《规则》，两船一旦构成碰撞危险，都应采取积极有效的避让措施，即不存在直航船(权利船)与让路船（义务船）之分。在能见度不良情况下，两船均应将自己摆在最危险的角度考虑问题，其具体行动规则是：1）除追越船外避免向左转向（无论是左舷目标船还是右舷目标船，均向右转向）；2）正横前后船舶避免朝着他转向，右正横左转，左正横右转的方法。因此在能见度不良情况下由于《规则》的主观模糊性而导致驾驶员对《规则》理解存在偏颇，而这种行为往往会造成行动的不协调，此时如果能以某船作为行动发起者，给出适合双方避让的方法将有效解决不协调问题。

很多导致碰撞事故发生的原因是船舶会遇构成碰撞危险时双方行动的不协调引起。此类不协调经常发生在一方遵守《规则》，而另一方未能遵守《规则》所致。如果双方都按照《规则》或双方按照约定并充分考虑当时的局势共同背离《规则》采取行动，就不会出现不协调的避让行动。实际避让过程中，以上两种协调避碰行为均有发生。然而作为为驾驶员提供避碰决策支持的辅助避碰决策支持系统，除非双方陷入紧迫危险，一般会遇态势下要求会遇双方船舶应该严格遵循《规则》采取相应的避让行动。现有PIDVCA算法对处于互见中《规则》约定的直航船和能见度不良中《机器规则》认定的“直航船”（以下统称“直航本船”）形成的PIDVCA实施方案在未能取得互见中《规则》约定的让路船和能见度不良中《机器规则》认定的“让路目标船”（以下统称“让路目标船”）协调避让行动的情况下，往往不能取得预期满意的和双赢的避让效果。

发明内容

本发明一种基于PIDVCA原理的两船协调避让的优化方法，对局部态势的PIDVCA算法进行优化处理，能进一步提升现有的PIDVCA算法,以最大限度的提醒或督促让路目标船履行《规则》确保或提升“让路目标船”主动采取有效的协调避让行动的几率，最终达到确保“直航船”获得既安全又经济的避让效果的目的；同时在未能取得“让路目标船”协调避让行动的情况下，也能保持原有PIDVCA算法的次优避让效果，即确保两船的安全避让。

一种基于PIDVCA原理的两船协调避让的优化方法，包括如下步骤：

步骤1、系统首次安装需要用户输入船长、船宽以及包括船舶旋回进距、旋回初境以及旋回90°所需时间的操纵参数；正常开机时需要用户输入当时的包括能见度、风向风速及流向流速的环境参数；

步骤2、运行时，系统通过实时采集雷达/ARPA提供的目标船相对方位、距离的信息发现目标船的存在，同时实时采集电罗经提供的本船船艏向信息、GPS船位信息以及计程仪提供的本船航速信息，系统利用上述采集的信息，通过调用PIDVCA相关模型及算法，计算获取两船避碰决策协调优化处理及自动生成PIDVCA方案所需的相关避碰信息，包括目标船的航向、航速、相对运动航向和航速、两船的最近会遇距离和目标船到达本船的最近会遇距离点的时间、安全会遇距离及其最小值，进行危险判定与属性识别，获知两船的交会特征及会遇局面、目标船的性质及会遇属性以及本船的避让属性；

步骤3、系统根据上述避碰信息判断本船是直航船或让路船，如果是让路船，转至步骤4，否则，转至步骤5；

步骤4、根据当时的能见度情况，来判断是否要按照让路船避让时机来调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案：

（1）如果能见度良好，或者虽能见度不良但不是互见中的直航船，本船按照让路船避让时机来调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案，若让路本船施舵时机未到，则返回步骤2；若让路本船施舵时机已到，则系统把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，再通过AIS设备将该短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

（2）如果能见度不良，且本船是机器规则中界定的直航船，系统将自动调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案；

若让路目标船主动让路或接收到协调避让请求并采取让路行动，则本船作为直航船可以行使保向保速的权利，返回步骤2；

 若让路目标船未采取让路行动，且直航本船最佳施舵时机已经到来，则在其最佳施舵时机到来时，系统把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，再通过AIS设备将短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

若直航本船最佳施舵时机未到，则进入步骤7；

步骤5、如果本船为直航船，系统将自动调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案，若让路目标船主动让路或接收到协调避让请求并采取让路行动，则直航本船行使保向保速的权利，返回步骤2；

步骤6、若让路目标船未采取让路行动，且本船最晚施舵时机已到，则按照直航船避让时机调用PIDVCA相关模型及算法生成的避让方案，并把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，再通过AIS设备将短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

步骤7、如果本船最晚施舵时机未到，系统调用本船与目标船变量置换算法和PIDVCA最佳及最晚施舵时机量化算法计算让路目标船的最佳避让时机及最晚施舵时机，进一步判断，若让路目标船最佳施舵时机还未到，则返回步骤2；若让路目标船最佳施舵时机已到，则进入步骤8，若让路目标船最佳施舵时机已经错过，则进入步骤9；

步骤8、根据初始改向角调用PIDVCA相关模型及算法生成让路目标船的初始避让方案，并把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，通过AIS设备将短信自动发送给对应目标船，向让路目标船发出避让请求，并提醒船舶驾驶员通过VHF向让路目标船发出避让请求信息，返回步骤2；

步骤9、系统调用PIDVCA相关模型及算法生成让路目标船的避让方案，并把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，通过AIS设备将短信自动发送给对应目标船，向让路目标船发出避让请求，并提醒船舶驾驶员通过VHF向让路目标船发出避让请求信息，返回步骤2。

采用本发明一种基于PIDCCA原理的两船协调避让的优化方法后，会出现以下的实施效果：

（1）对于互见中的直航船而言，当让路船未能按照《规则》给对方让路，而此时装载本发明前期算法的直航船仍能按照《规则》在其最晚施舵时机采取有效的避碰决策（独自采取行动的时机），并最终确保两船在希望的安全会遇距离以外通过。但对于直航船而言，并未能达到其预期的“行使直航船保向保速权利”的最好避碰决策实施效果；

（2）经过全面的理论分析及大量的仿真实验，进一步发现能见度不良情况下由于从《规则》的角度没有让路船与直航船之分，即都是让路船，在改向幅度一样的情况下，往往“直航本船”的避让时机比“让路目标船”早，因此如果按照《规则》的精神采取行动，往往“直航本船”率先改向避让，使“让路目标船”随着“直航本船”的行动其危险性逐步消失而放弃避让的行动，从而导致“直航本船”避让过程持续较长时间才可让清目标船，如图2（a）所示。因此，从优化避让效果的角度，我们提出最佳避让效果应该是“让路目标船”优先采取行动，“直航本船”根据需要在合适的时机采取必要的配合行动。显然，“让路目标船”按照这样的《机器规则》采取的协调避让行动，要比“直航本船”按照《规则》约定作为让路船行使避让义务的避让效果更佳，如图2（b）所示。

附图说明

图1为直航本船与让路目标船的相对运动几何图解示意图；

图2（a）为在未实施本发明前在能见度不良情况下本船避让目标船的自动避让航迹回放图；

图2（b）为在实施本发明后在能见度不良情况下本船避让目标船的自动避让航迹回放图；

图3为本发明的流程示意图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

本发明先确定一下缩略语和关键术语定义：

1、PIDVCA——Personifying Intelligent Decision-making for Vessel Collision Avoidance，中文全称“船舶拟人智能避碰决策”；

2. 直航船：互见中构成碰撞危险的两船依照《国际海上避碰规则》约定享有保向保速权利的船舶；

3.让路船：互见中构成碰撞危险的两船依照《国际海上避碰规则》约定应履行让路义务的船舶；

4.直航本船：指装载PIDVCA系统的船舶属于互见中《国际海上避碰规则》约定的直航船和能见度不良中《机器规则》认定的“直航船”；

5. 让路目标船：指与“直航本船”相呼应的“让路目标船”，它属于互见中《国际海上避碰规则》约定的让路船和能见度不良中《机器规则》认定的“让路船”；

6. “直航船”：《机器规则》套用能见度良好情况下直航船的判定依据以及行动准则来界定直航船，但为了区别《国际海上避碰规则》中定义的直航船概念（在互见情况下）加双引号，即“直航船”专指能见度不良下仍沿用互见中界定的直航船。

如图3所示，本发明一种基于PIDVCA原理的两船协调避让的优化方法，具体包括如下步骤：

步骤1、系统首次安装需要用户输入船长、船宽以及包括船舶旋回进距、旋回初境以及旋回90°所需时间的操纵参数；正常开机时需要用户输入当时的包括能见度、风向风速及流向流速的环境参数；

步骤2、运行时，系统通过实时采集雷达/ARPA提供的目标船相对方位、距离等信息发现目标船的存在，同时实时采集电罗经提供的本船船艏向信息、GPS船位信息以及计程仪提供的本船航速信息，系统利用上述采集的信息，通过调用PIDVCA相关模型及算法，计算获取两船避碰决策协调优化处理及自动生成PIDVCA方案所需的相关避碰信息，包括目标船的航向、航速、相对运动航向和航速、两船的最近会遇距离和目标船到达本船的最近会遇距离点的时间、安全会遇距离及其最小值，进行危险判定及属性识别，获知两危险船的交会特征及会遇局面、目标船的性质及会遇属性以及本船的避让属性；

步骤3、系统根据上述避碰信息判断本船是直航船或让路船，如果是让路船，转至步骤4，否则，转至步骤5；

步骤4、根据当时的能见度情况，来判断是否要按照让路船避让时机来调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案：

（1）如果能见度良好，或者虽能见度不良但不是互见中的直航船，本船按照让路船避让时机来调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案，若让路本船施舵时机未到，则返回步骤2；若让路本船施舵时机已到，则系统把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，再通过AIS设备将该短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

（2）如果能见度不良，且本船是机器规则中界定的直航船，系统将自动调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案；

若让路目标船主动让路或接收到协调避让请求并采取让路行动，则本船作为直航船可以行使保向保速的权利，返回步骤2；

 若让路目标船未采取让路行动，且直航本船最佳施舵时机已经到来，则在其最佳施舵时机到来时，系统把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，再通过AIS设备将短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

若直航本船最佳施舵时机未到，则进入步骤7；

步骤5、如果本船为直航船，系统将自动调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案，若让路目标船主动让路或接收到协调避让请求并采取让路行动，则直航本船行使保向保速的权利，返回步骤2；

步骤6、若让路目标船未采取让路行动，且本船最晚施舵时机已到，则按照直航船避让时机调用PIDVCA相关模型及算法生成的避让方案，并把生成的避让方案通过AIS短信编码规则进行封装，再通过AIS设备将短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

步骤7、如果本船最晚施舵时机未到，系统调用本船与目标船变量置换算法和PIDVCA最佳及最晚施舵时机量化算法计算让路目标船的最佳避让时机及最晚施舵时机，进一步判断，若让路目标船最佳施舵时机还未到，则返回步骤2；若让路目标船最佳施舵时机已到，则进入步骤8，若让路目标船最佳施舵时机已经错过，则进入步骤9；

步骤8、根据初始改向角调用PIDVCA相关模型及算法生成让路目标船的初始避让方案，并把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，通过AIS设备将短信自动发送给对应目标船，向让路目标船发出避让请求，并提醒船舶驾驶员通过VHF向让路目标船发出避让请求信息，返回步骤2；

步骤9、系统调用PIDVCA相关模型及算法生成让路目标船的避让方案，并把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，通过AIS设备将短信自动发送给对应目标船，向让路目标船发出避让请求，并提醒船舶驾驶员通过VHF向让路目标船发出避让请求信息，返回步骤2。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于PIDVCA原理的两船协调避让的优化方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、系统首次安装需要用户输入船长、船宽以及包括船舶旋回进距、旋回初境以及旋回90°所需时间的操纵参数；正常开机时需要用户输入当时的包括能见度、风向风速及流向流速的环境参数；

步骤2、运行时，系统通过实时采集雷达/ARPA提供的目标船相对方位、距离的信息发现目标船的存在，同时实时采集电罗经提供的本船船艏向信息、GPS船位信息以及计程仪提供的本船航速信息，系统利用上述采集的信息，通过调用PIDVCA相关模型及算法，计算获取两船避碰决策协调优化处理及自动生成PIDVCA方案所需的相关避碰信息，包括目标船的航向、航速、相对运动航向和航速、两船的最近会遇距离和目标船到达本船的最近会遇距离点的时间、安全会遇距离及其最小值，进行危险判定及属性识别，获知两危险船的交会特征及会遇局面、目标船的性质及会遇属性以及本船的避让属性；

步骤3、系统根据上述避碰信息判断本船是直航船或让路船，如果是让路船，转至步骤4，否则，转至步骤5；

步骤4、根据当时的能见度情况，来判断是否要按照让路船避让时机来调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案：

（1）如果能见度良好，或者虽能见度不良但不是互见中的直航船，本船按照让路船避让时机来调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案，若让路本船施舵时机未到，则返回步骤2；若让路本船施舵时机已到，则系统把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，再通过AIS设备将该短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

（2）如果能见度不良，且本船是机器规则中界定的直航船，系统将自动调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案；

若让路目标船主动让路或接收到协调避让请求并采取让路行动，则本船作为直航船可以行使保向保速的权利，返回步骤2；

 若让路目标船未采取让路行动，且直航本船最佳施舵时机已经到来，则在其最佳施舵时机到来时，系统把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，再通过AIS设备将短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

若直航本船最佳施舵时机未到，则进入步骤7；

步骤5、如果本船为直航船，系统将自动调用PIDVCA相关模型及算法生成避让方案，若让路目标船主动让路或接收到协调避让请求并采取让路行动，则直航本船行使保向保速的权利，返回步骤2；

步骤6、若让路目标船未采取让路行动，且本船最晚施舵时机已到，则按照直航船避让时机调用PIDVCA相关模型及算法生成的避让方案，并把生成的避让方案通过AIS短信编码规则进行封装，再通过AIS设备将短信发送给对应目标船，告知本船的操船意图，返回步骤2；

步骤7、如果本船最晚施舵时机未到，系统调用本船与目标船变量置换算法和PIDVCA最佳及最晚施舵时机量化算法计算让路目标船的最佳避让时机及最晚施舵时机，进一步判断，若让路目标船最佳施舵时机还未到，则返回步骤2；若让路目标船最佳施舵时机已到，则进入步骤8，若让路目标船最佳施舵时机已经错过，则进入步骤9；

步骤8、根据初始改向角调用PIDVCA相关模型及算法生成让路目标船的初始避让方案，并把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，通过AIS设备将短信自动发送给对应目标船，向让路目标船发出避让请求，并提醒船舶驾驶员通过VHF向让路目标船发出避让请求信息，返回步骤2；

步骤9、系统调用PIDVCA相关模型及算法生成让路目标船的避让方案，并把生成的避让方案按照AIS短信编码规则进行封装，调用AIS点对点自动播发短信算法，通过AIS设备将短信自动发送给对应目标船，向让路目标船发出避让请求，并提醒船舶驾驶员通过VHF向让路目标船发出避让请求信息，返回步骤2。

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